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André Luiz Malvezzi Departamento de Física Faculdade de Ciências UNESP - Bauru PowerPoint PPT Presentation


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A Revolução da Física Moderna. André Luiz Malvezzi Departamento de Física Faculdade de Ciências UNESP - Bauru. Outubro - 2009. 2005: Ano Internacional da Física. Aniversário de 100 anos do ano miraculoso de Einstein.

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André Luiz Malvezzi Departamento de Física Faculdade de Ciências UNESP - Bauru

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Presentation Transcript


A Revolução da Física Moderna

André Luiz MalvezziDepartamento de FísicaFaculdade de CiênciasUNESP - Bauru

Outubro - 2009


2005: Ano Internacional da Física

Aniversário de 100 anos doano miraculosode Einstein

Publicou cinco artigos extraordinários, que apareceram na prestigiosa revistaalemã Annalen der Physik


As leis da Mecânica de Isaac Newton (1642-1727)

Física Clássica

As leis da Eletrodinâmica de James Clerk Maxwell (1831-1879)

As leis da Termodinâmicae aTeoria Cinética dos Gases


As duas categorias de fenômenos em Física Clássica

Pequenos objetos com massa definida.Obedecem as Leis de Newton.

Partículas:

Se estendem através do espaço.Transportam energia mas não massa.Interferem entre si.

Ondas:


“Atualmente pairam apenas duas pequeninas nuvens cinzentas sobre o céu cristalino da Física”Willian Thomson (Lord Kelvin) Royal Society - Abril 1900

“Atualmente pairam apenas duaspequeninas nuvens cinzentas sobre o céu cristalino da Física”Willian Thomson (Lord Kelvin) Royal Society - Abril 1900


A radiação térmica

É a radiação eletromagnética emitida por um objeto devido à sua temperatura.

Temperatura T e freqüência fmaiores

Todo corpo incandescente deveria ser branco

Teoria clássica do eletromagnetismo


A radiação térmica

Produzida pelos elétrons oscilantes na superfície do material

Representação esquemática da produção de ondas eletromagnéticas pelo elétron oscilante.


O nascimento da teoria Quântica: os quanta de Planck(1900)

A energia dos elétrons que produzem a radiação térmica é constituída de pacotes discretos, chamados quanta (plural de quantum).

A energia Ede um quantum é proporcional à freqüência f da radiação térmica emitida.

E = h.f

h = 6,63 .10-34 J.s = constante de Planck


Exemplo: quantização do pêndulo simples

L = 0,1 m

m = 0,01 kg

amplitude = 20o com a vertical

Energia total = mgh = 6 x 10-4 J

quantum = E = h.f = 6,63 x 10-34. 1,6 = 10-33 J

ΔE/E = 2 x 10-30 !!!!


O efeito fotoelétrico

A luz ejeta elétrons de diversas superfícies metálicas.


Exemplo de aplicação do efeito fotoelétrico


Características do efeito fotoelétrico

O tempo de atraso entre o momento em que a luz é ligada e a ejeção dos primeiros elétrons não é afetado pela intensidade ou pela freqüência da luz.

O que é observado experimentalmente?

O efeito é facilmente observado usando-se luz violeta ou ultravioleta, mas não quando se usa luz vermelha.

A quantidade de elétrons ejetados por segundo é proporcional à intensidade da luz.

A energia máxima dos elétrons ejetados não é afetada pela intensidade da luz, mas depende da freqüência.


A teoria quântica da luz: Einstein e o fóton (1905)

A energia radiante está quantizada em pacotes concentrados, os fótons.

A energia Ede cada fóton é dada pela fórmula de Planck: E = h.f

emissão ou absorção

propagação

fóton

partícula

onda

dualidade


A dualidade onda-partícula da luz


Efeito fotoelétrico: teoria clássica x teoria quântica

menos energia

Clássica

luz menos intensa

O tempo de atraso entre o momento em que a luz é ligada e a ejeção dos primeiros elétrons não é afetado pela intensidade ou pela freqüência da luz.

demora mais para ejetar o elétron

Quântica

energia chega em pacotes


Efeito fotoelétrico: teoria clássica x teoria quântica

energia da luz não depende da freqüência (cor)

Clássica

O efeito é facilmente observado usando-se luz violeta ou ultravioleta, mas não quando se usa luz vermelha.

Quântica

energia da luz é proporcional à freqüência (E=h.f)

freqüência maior

mais fácil ejetar os elétrons


Efeito fotoelétrico: teoria clássica x teoria quântica

mais energia

luz mais intensa

Clássica

A quantidade de elétrons ejetados por segundo é proporcional à intensidade da luz.

mais elétrons

Quântica

luz mais intensa

mais fótons

mais elétrons


Efeito fotoelétrico: teoria clássica x teoria quântica

energia é proporcional à intensidade:

Clássica

maior intensidade

elétrons mais energéticos

A energia máxima dos elétrons ejetados não é afetada pela intensidade da luz, mas depende da freqüência.

energia da luz não depende da freqüência (cor)

Quântica

energia é proporcional à freqüência (E=h.f)

elétrons mais energéticos

freqüência maior


Louis de Broglie e a dualidade onda-partícula (1924)

Toda partícula material tem associada a ela uma onda de matéria que governa seu movimento.

Partícula de massa m e velocidade v

Comprimento de onda da onda de matéria associada à partícula.


Exemplos: bala xelétron

bala com massa m = 0,02 kg e velociadade v = 330 m/s

λ = 10-34 m

Elétron a 2% da velocidade da luz

λ = 10-10 m

Microscopia eletrônica


O princípio da complementaridade de Bohr

No nível quântico, ambos os aspectos, o corpuscular e o ondulatório, são necessários para uma descrição completa do sistema estudado.


O princípio da incerteza de Heisenberg (1927)

O ato de medir algo afeta a própria quantidade que está sendo medida.

É impossível medir simultaneamente e com precisão arbitrária a posição e a velocidade de uma partícula.

Natureza probabilística


Mecânica Quântica

Quantum de energia

E = h.f

h = 6,63 .10-34 J.s = constante de Planck

Princípio da complementaridade

Dualidade onda-partícula

Natureza probabilística

Princípio da Incerteza


Einstein e a Teoria Especial da Relatividade (1905)

?

Eletromagnetismo de Maxwell

Mecânica de Newton

Leis físicas dependem do movimento do observador

Leis físicas não dependem do movimento do observador

O éter é o referencial absoluto

Não existe um referencial absoluto


Os Postulados Teoria Especial da Relatividade

Todas as leis da natureza são as mesmas em todos os sistemas de referência que se movam com velocidade uniforme.

A velocidade de propagação da luz no espaço livre tem o mesmo valor para todos os observadores, não importando o movimento da fonte ou do observador; ou seja, a rapidez de propagação da luz é uma constante.

Como pareceria um feixe luminoso se você estivesse se deslocando lado a lado com ele?

c ~ 300.000.000 m/s = 300.000 km/s


Conseqüências dos Postulados da Teoria Especial da Relatividade

Dois eventos que são simultâneos em um sistema de referência não necessariamente devem ser simultâneos em um sistema que se move em relação ao primeiro.

Simultaneidade


Conseqüências dos Postulados da Teoria Especial da Relatividade

Dilatação Temporal


Cálculo da dilatação temporal

fator de Lorentz

tempo relativo

t = γ t0

tempo próprio


A viagem do gêmeo

v = 0

t = t0

v = 0,5.c

t = 1,15.t0

v = 0,87.c

t = 2.t0

Quão viáveis são as viagens espaciais longas?

Quão viáveis são as viagens espaciais longas?

v = 0,995.c

t = 10.t0


Conseqüências dos Postulados da Teoria Especial da Relatividade

Adição de Velocidades

v1 = 0,5.c v2 = 0,5.c


Conseqüências dos Postulados da Teoria Especial da Relatividade

Contração do Comprimento


Conseqüências dos Postulados da Teoria Especial da Relatividade

Conservação do momento linear

E = m0 .c2

massa relativística

energia de repouso

massa de repouso

28.500 lâmpadas de 100 W acessas por um ano!!

m0 = 1 grama

E = 9 x 1013 J


massa

energia

Energia nuclear

Acender palito de fósforo

Xícara de café quente

Relógio de corda


Teoria Especial da Relatividade

Não há referenciais absolutos

Postulados

A velocidade da luz é constante

c ~ 300.000 km/s

Conseqüências:

Contração do Comprimento

Simultaneidade

Dilatação Temporal

E = m0 .c2

massa

energia


A Revolução da Física Moderna

Eletromagnetismo

“A eletrodinâmica dos corpos em movimento”

Mecânica Quântica

Radiação térmica

Relatividade

Mecânica

Termodinâmica

Movimento browniano

Mecânica Estatística


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